伺服電機中32位MCU的應用

　　本文以32位變頻用MCU V850E/IX3 UPD70F3454為例，闡述其在交流伺服系統中的應用。伺服機在伺服系統中控制機械元件運轉的發(fā)動(dòng)機。是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機，可使控制速度，位置精度非常準確。將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動(dòng)控制對象。

　　關(guān)于瑞薩電子UPD70F3454

　　UPD70F3454是瑞薩電子開(kāi)發(fā)的用于變頻控制的32位高性能MCU，使用V850核、RISC架構、5級流水線(xiàn)、內置DSP功能、最大64MHZ，內置256K FLASH ROM及相關(guān)外圍功能，例如DMA控制器，定時(shí)器/計數器，串行接口UART、SPI、IIC，A/D，總線(xiàn)控制器，低壓檢測，片上調試等。針對變頻控制，UPD70F3454提供有2組六相PWM輸出、兩組獨立的12位AD轉換器，內置比較器和運放，兩組編碼器輸入計數器，高度集成了伺服電機控制所需的外圍設備，并且可以實(shí)現用一個(gè)MCU實(shí)現對兩個(gè)伺服電機的控制。

　　系統原理

　　1、系統硬件結構：

　　基于UPD70F3454的伺服控制系統硬件如下圖。主要包括：

　?、?、MCU UPD70F3454及其周邊電路，3454為核心控制器，接收外部信號，判斷系統的工作模式，并轉換成逆變器的開(kāi)關(guān)信號輸出，隔離后后驅動(dòng)IPM，EEPROM用于參數的保存和用戶(hù)信息的存儲。RS232模塊負責與上位機進(jìn)行通信，或者直接通過(guò)上位機發(fā)送速度、方向控制信息；編程、調試可以通過(guò)MINICUBE、MINICUBE2、PG-FP5。

　?、?、IPM驅動(dòng)電路，MCU輸出6相PWM信號，經(jīng)過(guò)光耦隔離傳送、IPM全橋逆變輸出，驅動(dòng)伺服電機工作的強電電路。

　?、?、電流采樣，系統至少需要采樣兩相電流，如Ia和Ic，采樣電路的信號經(jīng)3454內部AD模塊的運放、比較器后進(jìn)行模數轉換。

　?、?、轉子位置檢測，由增量式光電編碼器輸出的正交編碼信號A、B、Z輸入至MCU的TMT模塊，可以判斷電機轉子的位置和電機轉速信號。

　?、?、傳感器信號的輸入，包括脈沖量輸入、模擬輸入、開(kāi)關(guān)輸入等及與其他MCU的通信。

　　圖： 瑞薩電子UPD70F3454伺服控制硬件結構圖

　　工作原理

　　伺服主要靠脈沖來(lái)定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個(gè)脈沖，就會(huì )旋轉1個(gè)脈沖對應的角度，從而實(shí)現位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉一個(gè)角度，都會(huì )發(fā)出對應數量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環(huán)，如此一來(lái)，系統就會(huì )知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動(dòng)，從而實(shí)現精確的定位，可以達到0.001mm。

　　直流伺服電機分為有刷和無(wú)刷電機。有刷電機成本低，結構簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。 　　無(wú)刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動(dòng)平滑，力矩穩定?？刂茝碗s，容易實(shí)現智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長(cháng)壽命，可用于各種環(huán)境。

　　2.交流伺服電機也是無(wú)刷電機，分為同步和異步電機，目前運動(dòng)控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉動(dòng)速度低，且隨著(zhù)功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩運行的應用。

　　3.伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉子在此磁場(chǎng)的作用下轉動(dòng)，同時(shí)電機自帶的編碼器反饋信號給驅動(dòng)器，驅動(dòng)器根據反饋值與目標值進(jìn)行比較，調整轉子轉動(dòng)的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線(xiàn)數）。

　　永磁交流伺服電動(dòng)機，20世紀80年代以來(lái)，隨著(zhù)集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅動(dòng)技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國著(zhù)名電氣廠(chǎng)商相繼推出各自的交流伺服電動(dòng)機和伺服驅動(dòng)器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統已成為當代高性能伺服系統的主要發(fā)展方向，使原來(lái)的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后，世界各國已經(jīng)商品化了的交流伺服系統是采用全數字控制的正弦波電動(dòng)機伺服驅動(dòng)。交流伺服驅動(dòng)裝置在傳動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。

　　2、特點(diǎn)及優(yōu)勢：

　?、?、精細的全數字化控制。采用瑞薩電子 32位專(zhuān)用變頻MCU，64MHZ CPU和PWM操作時(shí)鐘，高精度頻率輸出。

　?、?、低廉的系統成本。UPD70F3454搭載有上電清零、電壓檢測、穩壓器、4個(gè)運放、8個(gè)比較器、編碼器接口等豐富外設資源。

　?、?、豐富周邊功能。5V單電源、外部總線(xiàn)、DMA控制器。

　?、?、提供安全、安心的高端變頻電機*價(jià)系統，對系統各個(gè)模塊有軟件的參考代碼，比如PWM、AD、TMT等模塊，用戶(hù)可以很方便的在原系統上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。并且有電機組強大的支持團隊。

　　UPD70F3454除了高速實(shí)時(shí)響應和單時(shí)鐘指令外，還支持乘法指令、飽和運算、位操作等為數字伺服控制系統而優(yōu)化的指令。本文基于UPD70F3454的伺服控制系統，充分利用MCU內部資源情況下，電路設計簡(jiǎn)單、外圍器件少，滿(mǎn)足矢量控制的實(shí)時(shí)要求，實(shí)現伺服的全數字化的控制。而低成本高性能的MCU控制特性使得該系統具有很好的應用前景。

　　目前，UPD70F3454已在客戶(hù)的通用伺服、紡織機械、縫紉機得到普遍應用